Ядерные реакции. Законы сохранения в ядерных реакциях

Ядерными реакцияминазывают превращения ядер, вызванные взаимодействиями их между собой или с элементарными частицами. В 1919 г. Резерфордом проведено первое в мире искусственное превращение одних химических элементов в другие (азота в кислород):

В 1934 г. Ф.Кюри открыт механизм получения искусственным путем радиоактивного изотопа фосфора

Нильс Бор показал, что ядерные превращения протекают в два этапа: вначале из исходного Х – ядра образуется промежуточное компаунд-ядро П, которое, распадаясь, переходит в У – ядро, испуская в - частицу по схеме:

Х + аПУ + в

Энергетический эффект ядерной реакции может быть положительным, если в результате энергия Qвыделяется (экзотермическая реакция), и еслиQ< 0 – отрицательным (эндотермическая реакция). Он подсчитывается по следующей схеме, например, для реакции, в которой впервые был получен нейтрон:

(5.55)

Q(5.56)

Если массы ядер берутся из таблиц в а.е.м., то и коэффициент с²берется также не в СИ – системе (с²=931 МэВ/а.е.м.).

При ядерных реакциях выполняется ряд законов сохранения: энергии, момента импульса, электрического заряда и др. Для правильного написания ядерной реакции типа (5.55) применяют также законы сохранения массового числа А и зарядового числа Z. Так в реакции (5.55) для А: (9+4)=(12+1); дляZ: (4+2) = (6+0) =const.

Реакция деления ядра. Цепная реакция. Ядерный реактор

В 1938 г. было обнаружено, что облучение урана нейтронами приводит к появлению среди ядер урана ядер более легких химических элементов. Их появление было связано с делением тяжелых ядер урана. Ядра урана U₉₂«перегружены» нейтронами и характеризуются меньшей удельной энергией связи. При попадании в ядро еще одного нейтрона, оно переходит в возбужденное состояние и делится на два осколка с выделением при этом от одного до трех нейтронов. Рассмотрим схему одной из возможных реакций деления:

(6.38.)

Образовавшиеся осколки-ядра цезия и рубидия β- радиоактивны и, претерпевая β- распад, в конечном итоге превращаются в стабильные ядра других элементов. Осколки деления имеют скорости 10⁷м/c.

Деление ядра урана сопровождается высвобождением большой энергии 200МэВ на ядро. Сюда входит кинетическая энергия осколков, нейтронов и энергия электромагнитного излучения (1 кг урана эквивалентен по энергии2,5·10⁵кг каменного угля).

Природный уран является смесью трех изотопов: 99,28 %,0,7 %,0,006%. Таким образом, на каждое ядроприходится в руде 140 ядер. Последние ядра делятся лишь под воздействием быстрых нейтронов. Ядраделятся при облучении нейтронами любых энергий, но особенно хорошо они захватывают медленные нейтроны.

Получение ядерной энергии в практических целях стало возможным лишь благодаря осуществлению цепной реакцииделения ядер урана. Мы говорили, что при делении ядер помимо осколков происходит выделение в среднем 2,5 нейтронов на каждое разделившееся ядро. Эти нейтроны, попав в другие ядра урана, могут вызвать их деление. Чтобы цепная реакция самоподдерживалась, для этого необходимо, чтобы хотя бы один из выделившихся нейтронов попал в ядро и вызвал его деление. Часть нейтронов поглощается примесями, часть разлетается, не попав в ядра, и только некоторая часть участвует в цепной реакции деления ядер Судьба нейтронов зависит от массы делящегося урана: чем больше его масса, тем больше вероятность попадания нейтрона в очередное ядро. Масса, в которой цепная реакция становится возможной, получила названиекритической массы(для9 кг.). При этом так называемый коэффициент размножения нейтроновk= 1. При массе большей критической (k>1) реакция деления развивается взрывообразно (что используется в атомной бомбе). При этом выделяется огромная энергия, температура достигает10⁷К, давление до миллиона атмосфер (10¹¹Па), взрыв сопровождается излучением проникающей радиации в виде γ- лучей, нейтронов, β- частиц.

Для получения ядерной энергии в промышленных целях необходимо управлять цепной реакцией, поддерживая k= 1. В ядерных реакторах используется уран, обогащенный изотопом. Чтобы предотвратить захват нейтронов ураном, производят специальное замедление нейтронов до энергии, при которых наблюдается наилучший (резонансный) их захват ядрами. Замедление нейтронов возможно при их столкновении с другими частицами с массой, близкой к массе нейтрона (например, протонами водорода или с другими легкими ядрами). В качестве замедлителя используется тяжелая вода, графит, бериллий. Первый уран-графитовый реактор был запущен в 1942 г. в Чикаго (10 тонн урана и 270 тонн графита). В 1947 г. запущен реактор в СССР И.В.Курчатовым (45 тонн урана и несколько сот тонн графита).

Ядерный реактор состоит в основном из активной зоны (уран, замедлитель), системы регулированная цепной реакции (поглотители нейтронов - стержни кадмия или бора), систем автоматики, охлаждения, биологической защиты.